DE102012200028A1

DE102012200028A1 - Verfahren zum Ausgleich der Massenmomente einer Antriebseinheit und Antriebseinheit zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

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Publication number: DE102012200028A1
Application number: DE102012200028A
Authority: DE
Inventors: Michael Roehrig
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-03
Filing date: 2012-01-03
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: RU2012158019A; US20130167793A1; BR102012032670A2; DE102012200028B4; CN103185103A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente eines Kurbeltriebs einer zu einer Antriebseinheit gehörenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (2a, 2b, 2c), bei der der Kurbeltrieb eine Kurbelwelle (1) und mindestens einen an diese Kurbelwelle (1) angelenkten und zu dem mindestens einen Zylinder (2a, 2b, 2c) gehörenden Kolben umfaßt, bei dem unter Verwendung einer Ausgleichseinheit, welche zwei als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte umfaßt, die bei mit Motordrehzahl umlaufender Kurbelwelle (1) ebenfalls mit Motordrehzahl rotieren, die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Es soll ein Verfahren der genannten Art aufgezeigt werden, welches einen Massenausgleich ermöglicht, der sich durch einen geringen Raumbedarf, niedrige Kosten, ein geringes Gewicht und eine geringe Reibleistung auszeichnet. Erreicht wird dies durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte entgegengesetzt zueinander rotieren (6a, 6b), wobei – ein erstes Ausgleichsgewicht gleichsinnig (6a) zur Kurbelwelle (1) umläuft und ein zweites Ausgleichsgewicht gegensinnig (6b) zur Kurbelwelle (1) umläuft, und – die als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte in der Art angeordnet und bemessen werden, dass das resultierende ausgleichende Moment um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol zumindest teilweise ausgleicht, wodurch die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente eines Kurbeltriebs einer zu einer Antriebseinheit gehörenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der der Kurbeltrieb eine Kurbelwelle und mindestens einen an diese Kurbelwelle angelenkten und zu dem mindestens einen Zylinder gehörenden Kolben umfaßt, bei dem unter Verwendung einer Ausgleichseinheit, welche zwei als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte umfaßt, die bei mit Motordrehzahl umlaufender Kurbelwelle ebenfalls mit Motordrehzahl rotieren, die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Antriebseinheiten der genannten Art werden häufig als Fahrzeugantrieb verwendet und umfassen neben einer Brennkraftmaschine in der Regel auch ein Getriebe. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Antriebseinheit auch ein Hybridantrieb sein, der zusätzlich einen elektrischen Antrieb bzw. eine Brennstoffzelle aufweist. In allen Fällen betrifft die erfindungsgemäße Antriebseinheit ein zusammenhängendes Aggregat.
Schwingungen erlangen bei der Konstruktion und Auslegung von Kraftfahrzeugen und Brennkraftmaschinen zunehmend an Bedeutung. Unter anderem wird versucht, das von der Brennkraftmaschine verursachte Geräusch gezielt zu beeinflussen und zu modellieren. Maßnahmen in diesem Zusammenhang werden auch unter dem Begriff Geräuschdesign bzw. Sounddesign zusammengefaßt. Motiviert werden derartige Entwicklungsarbeiten auch durch die Erkenntnis, dass die Kaufentscheidung der Kunden beim Erwerb eines Fahrzeuges nicht unwesentlich und in zunehmendem Umfang sogar maßgeblich vom Geräusch der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs mitbeeinflußt wird. So bevorzugt der Fahrer eines Sportwagens ein Fahrzeug bzw. einen Motor, dessen Geräusch den sportlichen Charakter des Fahrzeuges unterstreicht.
Im Rahmen eines Geräuschdesigns bzw. Sounddesigns werden Schwingungen kompensiert, d. h. eliminiert oder ausgelöscht, oder einzelne Schwingungen einer bestimmten Frequenz isoliert, herausgefiltert und gegebenenfalls modelliert.
Als Geräuschquellen an einem Kraftfahrzeug können unterschieden werden:

– Strömungsgeräusche,
– Geräusche durch Körperschallabstrahlung, und
– Geräusche durch Körperschalleinleitung in die Karosserie über die Motorlagerung.

Zu den Strömungsgeräuschen zählen beispielsweise das Auspuffmündungsgeräusch, das Ansauggeräusch und das Geräusch des Lüfters, wohingegen zu den Geräuschen durch Körperschallabstrahlung das eigentliche Motorgeräusch und die Abstrahlung der Auspuffanlage gehört. Die durch Stöße und Wechselkräfte zu Schwingungen angeregte Motorstruktur strahlt über ihre Motoroberflächen den Körperschall als Luftschall ab und generiert auf diese Weise das eigentliche Motorgeräusch.
Von besonderer Bedeutung für den akustischen Fahrkomfort ist die Körperschalleinleitung über die Motorlagerung, insbesondere die Körperschalleinleitung in die Fahrzeugkarosserie.
Die Antriebseinheit bzw. die Brennkraftmaschine und die dazugehörigen Nebenaggregate sind schwingungsfähige Systeme, deren Schwingungsverhalten beeinflußt werden kann. Die relevantesten Bauteile mit Stoß- und Kraftanregung sind das Kurbelgehäuse, der Zylinderblock, der Zylinderkopf, der Kurbeltrieb, der Kolben und der Ventiltrieb. Diese Bauteile sind den Massen- und Gaskräften ausgesetzt. Der Kurbeltrieb umfaßt dabei insbesondere die Kurbelwelle, den Kolben, den Kolbenbolzen und die Pleuelstange und bildet das für das erfindungsgemäße Verfahren relevante schwingungsfähige System.
Die Kurbelwelle wird durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche über die an den einzelnen Kurbelzapfen angelenkten Pleuelstangen in die Kurbelwelle eingeleitet werden, zu Drehschwingungen angeregt. Diese Drehschwingungen führen sowohl zu Geräuschen durch Körperschallabstrahlung als auch zu Geräuschen durch Körperschalleinleitung in die Karosserie und in die Brennkraftmaschine, wobei auch Vibrationen auftreten können, die den Fahrkomfort nachteilig beeinflussen, beispielsweise Vibrationen des Lenkrades im Fahrgastinnenraum. Bei Anregung der Kurbelwelle im Eigenfrequenzbereich kann es zu hohen Drehschwingungsamplituden kommen, die sogar zum Dauerbruch führen können. Dies zeigt, dass die Schwingungen nicht nur in Zusammenhang mit einem Geräuschdesign von Interesse sind, sondern vielmehr auch im Hinblick auf die Festigkeit der Bauteile.
Die Drehschwingungen der Kurbelwelle werden ungewollt über den Steuertrieb bzw. Nockenwellenantrieb auf die Nockenwelle übertragen, wobei die Nockenwelle selbst auch ein schwingungsfähiges System darstellt und weitere Systeme, insbesondere den Ventiltrieb, zu Schwingungen anregen kann. Die Einleitung von Schwingungen in andere Nebenaggregate via von der Kurbelwelle angetriebenen Zugmitteltrieb ist ebenfalls möglich. Zudem werden die Schwingungen der Kurbelwelle in den Antriebsstrang eingeleitet, über welchen eine Weiterleitung bis hin zu den Reifen eines Fahrzeuges erfolgen kann.
Der Drehkraftverlauf an einer Kurbelwellenkröpfung einer Viertaktbrennkraftmaschine ist periodisch, wobei sich die Periode über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erstreckt. Üblicherweise wird der Drehkraftverlauf mittels Fourier-Analyse in seine harmonischen Anteile zerlegt, um Aussagen über die Erregung von Drehschwingungen treffen zu können. Dabei setzt sich der tatsächliche Drehkraftverlauf aus einer konstanten Drehkraft und einer Vielzahl von sich harmonisch verändernden Drehkräften zusammen, die unterschiedliche Drehkraftamplituden und Frequenzen bzw. Schwingzahlen aufweisen. Das Verhältnis der Schwingzahl n_i jeder Harmonischen zur Drehzahl n der Kurbelwelle bzw. des Motors, wird als die Ordnung i der Harmonischen bezeichnet.
Aufgrund der hohen dynamischen Belastung der Kurbelwelle durch die Massen- und Gaskräfte ist man bei der Auslegung der Brennkraftmaschine bemüht, einen möglichst weitgehenden, d. h. optimierten Massenausgleich zu realisieren. Dabei werden unter dem Begriff “Massenausgleich“ sämtliche Maßnahmen zusammengefaßt, die die Wirkung der Massenkräfte nach außen kompensieren bzw. verringern. Insofern betrifft ein Verfahren zum Massenausgleich auch Maßnahmen zum Ausgleich der durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente.
Ein Massenausgleich kann im Einzelfall bereits durch eine gezielte Abstimmung der Kröpfung der Kurbelwelle, der Anzahl und der Anordnung der Zylinder und der Zündfolge erfolgen.
Ein Sechs-Zylinder-Reihenmotor kann auf diese Weise vollständig ausgeglichen werden. Die sechs Zylinder werden paarweise in der Art zusammengefaßt, dass sie mechanisch als Zylinderpaar parallel laufen. So werden der erste und sechste Zylinder, der zweite und fünfte Zylinder und der dritte und vierte Zylinder zu einem Zylinderpaar zusammengefaßt, wobei die Kurbelwellenzapfen bzw. -kröpfungen der drei Zylinderpaare um jeweils 120° KW versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet sind. Mechanisch parallel laufend bedeutet, dass die beiden Kolben der zwei mechanisch parallel laufenden Zylinder sich bei demselben °KW (Grad Kurbelwinkel) im oberen Totpunkt (OT) bzw. unteren Totpunkt (UT) befinden. Bei Wahl einer geeigneten Zündfolge werden die Massenkräfte völlig ausgeglichen.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor lassen sich die Massenkräfte 1. Ordnung und die Massenkräfte 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge ebenfalls vollständig ausgleichen, nicht aber die Momente, welche durch die Massenkräfte hervorgerufen werden.
Ein vollständiger Massenausgleich ist nicht immer realisierbar, so dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, beispielsweise das Anordnen von Gegengewichten auf der Kurbelwelle und/oder die Ausstattung der Brennkraftmaschine mit mindestens einer Ausgleichseinheit.
Ausgangspunkt sämtlicher Maßnahmen ist die Überlegung, dass die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche sich aus den Gaskräften und Massenkräften des Kurbeltriebes zusammensetzen, belastet wird. Die Massen des Kurbeltriebes, d. h. die Einzelmassen der Pleuelstange, des Kolbens, des Kolbenbolzens und der Kolbenringe, lassen sich in eine oszillierende Ersatzmasse und eine rotierende Ersatzmasse überführen. Die Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse kann in einfacher Weise durch auf der Kurbelwelle angeordnete Gegengewichte in ihrer Außenwirkung ausgeglichen werden.
Aufwendiger gestaltet sich der Ausgleich der durch die oszillierende Ersatzmasse hervorgerufenen rotierenden Massenkraft, die sich näherungsweise aus einer Massenkraft 1. Ordnung, die mit der Motorendrehzahl umläuft, und einer Massenkraft 2. Ordnung, die mit zweifacher Motorendrehzahl umläuft, zusammensetzt, wobei Kräfte höherer Ordnung vernachlässigbar sind.
Die rotierenden Massenkräfte jeder Ordnung können nahezu ausgeglichen werden durch die Anordnung von zwei gegensinnig rotierenden mit entsprechenden Gewichten versehenen Wellen, sogenannten Ausgleichswellen. Die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung laufen dabei mit Motordrehzahl und die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 2. Ordnung mit zweifacher Motordrehzahl um. Diese Art des Massenausgleichs ist sehr kostenintensiv, aufwendig und weist neben einem hohen Gewicht auch einen hohen Raumbedarf auf.
Zudem ergeben sich selbst bei einem vollständigen Ausgleich der rotierenden Massenkräfte Massenmomente, da die Massenkräfte der einzelnen Zylinder in den Zylindermittelebenen wirken. Diese Massenmomente können im Einzelfall wiederum durch eine mit Gewichten ausgestattete Ausgleichwelle kompensiert werden. Letzteres erhöht den Raumbedarf, die Kosten sowie das Gewicht des gesamten Massenausgleichs und damit der Antriebseinheit aber zusätzlich.
Die durch die Massenkräfte 1. Ordnung beispielsweise bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor hervorgerufenen Momente lassen sich durch eine einzelne, mit Motordrehzahl gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle, an deren Enden zwei um 180° versetzt, d. h. verdreht, angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, kompensieren.
Das Vorsehen einer oder gegebenenfalls mehrerer Ausgleichswellen erhöht nicht nur den Raumbedarf und die Kosten, sondern auch den Kraftstoffverbrauch. Der erhöhte Kraftstoffverbrauch wird zum einen durch das zusätzliche Gewicht der Ausgleichseinheit, insbesondere der Wellen und der als Unwucht dienenden Gegengewichte, verursacht, welche das Gesamtgewicht der Antriebseinheit spürbar erhöhen. Zum anderen trägt die Ausgleichseinheit mit ihren rotierenden Wellen und anderen bewegten Bauteilen nicht unwesentlich zur Reibleistung der Brennkraftmaschine bei bzw. zur Erhöhung dieser Reibleistung. Letzterem kommt eine Relevanz insbesondere durch den Umstand zu, dass die Ausgleichseinheit immer und kontinuierlich in Betrieb ist, sobald die Brennkraftmaschine gestartet und betrieben wird. Ein Ausgleich der Massenkräfte erfolgt dabei permanent, ohne dass berücksichtigt wird, ob der momentane Betriebszustand der Brennkraftmaschine einen derartigen Massenausgleich erfordert.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass ein Bedarf an verbesserten Verfahren zum Massenausgleich besteht, wobei ein geringer Raumbedarf, niedrige Kosten, ein geringes Gewicht und eine geringe Reibleistung angestrebt werden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, welches einen Massenausgleich ermöglicht, der sich durch einen geringen Raumbedarf, niedrige Kosten, ein geringes Gewicht und eine geringe Reibleistung auszeichnet.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebseinheit zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente eines Kurbeltriebs einer zu einer Antriebseinheit gehörenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der der Kurbeltrieb eine Kurbelwelle und mindestens einen an diese Kurbelwelle angelenkten und zu dem mindestens einen Zylinder gehörenden Kolben umfaßt, bei dem unter Verwendung einer Ausgleichseinheit, welche zwei als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte umfaßt, die bei mit Motordrehzahl umlaufender Kurbelwelle ebenfalls mit Motordrehzahl rotieren, die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte entgegengesetzt zueinander rotieren, wobei

– ein erstes Ausgleichsgewicht gleichsinnig mit der Kurbelwelle umläuft und ein zweites Ausgleichsgewicht gegensinnig zur Kurbelwelle umläuft, und
– die als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte in der Art angeordnet und bemessen werden, dass das resultierende ausgleichende Moment um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol zumindest teilweise ausgleicht, wodurch die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen wird.

Der wesentliche Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem zum Ausgleich der Massenmomente 1. Ordnung zwei um 180° verdreht auf einer Ausgleichswelle angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte mit Motordrehzahl und gegensinnig zur Kurbelwelle rotieren, ist darin zu sehen, dass erfindungsgemäß die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte entgegengesetzt zueinander rotieren. Dabei läuft das erste Ausgleichsgewicht gleichsinnig mit der Kurbelwelle um, wohingegen das zweite Ausgleichsgewicht gegensinnig zur Kurbelwelle rotiert.
Folglich sind die beiden Ausgleichsgewichte nicht auf demselben Träger, beispielsweise einer Welle, anzuordnen. Vielmehr benötigen die beiden Ausgleichsgewichte unterschiedliche Träger, mit denen ihnen die Rotationsbewegung in unterschiedlicher Drehrichtung aufgeprägt wird. Als Träger für das erste Ausgleichsgewicht kann beispielsweise ein beliebiger auf der Kurbelwelle angeordneter Rotationskörper verwendet werden. Das zweite Ausgleichsgewicht erfordert einen gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden Träger, der auch von der Kurbelwelle selbst angetrieben werden kann. In beiden Fällen kann ein bereits vorhandenes Bauteil als Träger verwendet werden. Als bereits vorhandenes Bauteil wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Bauteil angesehen, dem bereits – neben der Aufnahme eines Ausgleichsgewichtes – mindestens eine weitere Funktion, d. h. Aufgabe hinsichtlich des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.
Vorzugsweise braucht also kein zusätzliches Bauteil als Träger für ein Ausgleichsgewicht vorgesehen werden. Die aus dem Stand der Technik bekannte Ausgleichswelle, die üblicherweise kurbelwellenseitig über einen Riementrieb oder ein Zahnradpaar angetrieben und in der Regel unterhalb des Kurbelgehäuses angeordnet wird, entfällt und zwar schon prinzipbedingt aufgrund des unterschiedlichen Drehsinns der beiden Ausgleichsgewichte. Der Wegfall der Welle führt – neben einer Platzersparnis – zu einer Gewichtsreduzierung, einer Verringerung der Reibleistung und damit zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs.
Anders als im Stand der Technik, bei dem sich das Kräftepaar bestehend aus den Massekräften der beiden gleichsinnig rotierenden Ausgleichsgewichte in der Summe aufhebt und das resultierende Moment ein sogenanntes freies Moment ist, das hinsichtlich eines beliebigen Bezugspunktes gleich groß ist und bleibt, ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass als Folge der gegensinnig rotierenden Ausgleichgewichte eine freie resultierende Kraft verbleibt und ein gebundenes Moment, welches in der Weise dimensioniert wird, dass die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit ausgeglichen wird.
Dass als Folge der gegensinnig rotierenden Ausgleichgewichte eine freie resultierende Kraft verbleibt, führt zu keinen nennenswerten Nachteilen, wie Untersuchungen, insbesondere Messungen der Beschleunigungen in den Lagern der Kurbelwelle, gezeigt haben. Zudem besteht die Möglichkeit, die freie resultierende Kraft in vorteilhafter Weise zu modellieren, insbesondere in Größe und Richtung.
Der Abstand der als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte zum Momentanpol 1. Ordnung sollte vorteilhafter Weise möglichst groß gewählt werden, um das ausgleichende Moment mit möglichst wenig Masse generieren zu können. Zu berücksichtigen ist dabei, dass auch die Masse der erfindungsgemäßen Ausgleichsgewichte in die Gesamtmasse der Antriebeinheit mit eingeht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente aufzuzeigen, welches einen Massenausgleich ermöglicht, der sich durch einen geringen Raumbedarf, niedrige Kosten, ein geringes Gewicht und eine geringe Reibleistung auszeichnet.
Weitere vorteilhafte Varianten des Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte in der Art angeordnet und bemessen werden, dass das resultierende ausgleichende Moment um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol möglichst vollständig ausgleicht, wodurch die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung möglichst vollständig ausgeglichen wird.
Diese Verfahrensvariante zeichnet sich durch einen vollständigen bzw. möglichst vollständigen Ausgleich der Drehbewegung aus, die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufen wird. Hierfür sind größere Kräfte, d. h. Ausgleichsgewichte größerer Masse erforderlich als für einen zumindest teilweisen Ausgleich, weshalb auch die freie resultierende Kraft größer wird und ebenfalls die durch diese Kraft hervorgerufene Wirkung.
Insofern ist eine Abwägung anzustellen zwischen dem Umfang des Masseausgleichs einerseits und der damit verbundenen resultierenden Kraft andererseits.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die beiden Ausgleichsgewichte um dieselbe Drehachse rotieren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen mindestens ein Ausgleichsgewicht um die Längsachse der Kurbelwelle rotiert. Vorteilhaft an dieser Variante ist, dass ein Ausgleichsgewicht, das um die Kurbelwelle rotiert und deren Massenkraft somit die Längsachse der Kurbelwelle schneidet, kein Moment um die Kurbelwelle hervorruft. Als Träger für das mindestens eine Ausgleichsgewicht kann ein auf der Kurbelwelle angeordnetes Schwungrad oder ein anderer mit der Kurbelwelle verbundener Rotationskörper, beispielsweise ein Zahnrad oder eine Scheibe, verwendet werden.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen mindestens ein Ausgleichsgewicht um eine Drehachse rotiert, die parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verläuft. Antriebseinheiten bzw. Brennkraftmaschinen sind häufig mit Zugmitteltrieben ausgestattet, die Räder und/oder Scheiben umfassen, welche um eine Drehachse rotieren, die parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verläuft. Die vorliegende Ausführungsform umfaßt Verfahrensvarianten, bei denen ein Ausgleichsgewicht auf einem dieser Räder oder Scheiben angeordnet wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die beiden Ausgleichsgewichte in der Art bemessen und angeordnet werden, dass die resultierende ausgleichende Massenkraft zu einer oszillierenden Massenkraft wird. Die beiden durch die Ausgleichsgewichte hervorgerufenen Massenkräfte müssen dafür gleich groß sein.
Wie bereits erwähnt, besteht die Möglichkeit, die freie resultierende Kraft in vorteilhafter Weise zu modellieren, d. h. gezielt zu gestalten. Besonders vorteilhaft ist es, die resultierende Kraft als oszillierende Kraft auszubilden und zwar vorzugsweise oszillierend in Längsrichtung des Fahrzeuges, welches die betreffende Antriebseinheit nutzt. Ein Fahrzeug ist in der Regel gegen eine Nickbewegung, welche durch eine in Längsrichtung oszillierende Kraft hervorgerufen wird, unempfindlicher, d. h. stabiler. Eine vertikal oszillierende Kraft hingegen kann zu einer hüpfenden Bewegung des Fahrzeuges und eine quer oszillierende Kraft zu einem Rollen des Fahrzeuges führen. Beides ist kritischer zu bewerten als eine Nickbewegung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Momentanpol 1. Ordnung näherungsweise der Schwerpunkt der Antriebseinheit verwendet wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Träger für mindestens ein Ausgleichsgewicht ein bereits vorhandenes Bauteil der Antriebseinheit verwendet wird.
Wie bereits erwähnt, reduziert diese Vorgehensweise die Anzahl der Bauteile, wodurch eine kompakte Bauweise bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten und verringertem Kraftstoffverbrauch gewährleistet wird.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich eine Antriebseinheit zur Durchführung eines Verfahrens einer zuvor genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine Antriebseinheit mit einer zur Antriebseinheit gehörenden Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Kurbeltrieb, der eine Kurbelwelle und mindestens einen an diese Kurbelwelle angelenkten und zu dem mindestens einen Zylinder gehörenden Kolben umfaßt, und
– einer Ausgleichseinheit zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente, die zwei als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte umfaßt, welche bei umlaufender Kurbelwelle mit Motordrehzahl rotieren,

– die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte entgegengesetzt zueinander rotieren, wobei ein erstes Ausgleichsgewicht gleichsinnig zur Kurbelwelle umläuft und ein zweites Ausgleichsgewicht gegensinnig zur Kurbelwelle umläuft, und
– die als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte in der Art angeordnet und bemessen sind, dass das resultierende ausgleichende Moment um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol zumindest teilweise ausgleicht.

Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Antriebseinheit.
Bei Antriebseinheiten mit einem auf der Kurbelwelle angeordneten Schwungrad sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das erste Ausgleichsgewicht an dem Schwungrad vorgesehen ist.
Das erste Ausgleichsgewicht läuft gleichsinnig mit der Kurbelwelle um und benötigt folglich einen Träger, der ebenfalls gleichsinnig mit der Kurbelwelle umläuft, beispielsweise das Schwungrad. Die Verwendung des Schwungrades als Träger hat mehrere Vorteile.
Zum einen handelt es sich bei dem Schwungrad um ein bereits vorhandenes Bauteil, dem primär eine andere Funktion beim Betrieb der Brennkraftmaschine zukommt, nämlich die Drehzahlschwankungen des Kurbeltriebs durch die zusätzliche Schwungradmasse zu mindern, so dass die Drehbewegung der Kurbelwelle gleichförmiger wird. Folglich stellen sich sämtliche Effekte ein, die mit der Verwendung eines bereits vorhandenen Bauteils als Träger für ein Ausgleichsgewicht verbunden sind, nämlich eine Verringerung des Raumbedarfs, des Gewichts, der Reibleistung und damit des Kraftstoffverbrauchs.
Zum anderen wird das Schwungrad in der Regel an einem der beiden freien Enden der Kurbelwelle angeordnet, so dass das Schwungrad einen vergleichsweise großen Abstand zum Momentanpol aufweist und folglich das erste als Unwucht dienenden Ausgleichsgewicht einen entsprechend großen Hebel. Mit der Zunahme des Hebels nimmt die Masse des Ausgleichsgewichts, welche zur Generierung des erforderlichen Moments notwendig ist, ab, wobei grundsätzlich möglichst leichte Ausgleichsgewichte angestrebt werden, d. h. anzustreben sind.
Bei Antriebseinheiten mit einem Zugmitteltrieb, der ein von der Kurbelwelle angetriebenes gegensinnig zur Kurbelwelle rotierendes Rad umfaßt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das zweite Ausgleichsgewicht an diesem gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden Rad vorgesehen ist.
Ein Teil der in der Brennkraftmaschine durch die chemische Umsetzung des Kraftstoffes gewonnenen Leistung wird genutzt, um die für den Betrieb der Brennkraftmaschine und des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregate, insbesondere die Ölpumpe, die Kühlmittelpumpe, die Lichtmaschine und dergleichen anzutreiben.
Für den Antrieb der Nebenaggregate wird in der Regel ein Zugmitteltrieb verwendet, wobei als Zugmittel Riemen und Ketten eingesetzt werden. Häufig wird dabei der Antrieb mehrerer Nebenaggregate in einem Riemen- bzw. Kettenantrieb zusammengefaßt. Ketten haben wie profilierte Riemen und im Gegensatz zu glatten Zugmitteln den Vorteil, dass ein schlupffreier Antrieb gewährleistet werden kann. Dies ist auch erforderlich, denn die rotierenden Ausgleichsgewichte müssen eine feste Phase hinsichtlich der umlaufenden Kurbelwelle aufweisen, d. h. ihre Rotationsbewegung muß mit der umlaufenden Kurbelwelle synchronisiert sein bzw. werden.
Die Kurbelwelle treibt ein Rad des Zugmitteltriebs an, entweder direkt, so dass sich das – beispielsweise direkt auf der Kurbelwelle angeordnete – Rad gleichsinnig mit der Kurbelwelle dreht, oder über ein Zahnrad, so dass das Rad gegensinnig zur Kurbelwelle rotiert. Ein Rad der letztgenannten Art kann dann gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Träger für das zweite Ausgleichsgewicht verwendet werden.
Wie das bereits erörterte Schwungrad ist auch der Zugmitteltrieb in der Regel an einem der beiden freien Enden der Kurbelwelle angeordnet und zwar an dem Ende, welches dem Schwungrad gegenüberliegt, wodurch auch das zweite als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht einen entsprechend großen Hebel zum Momentanpol aufweist. Die Vorteile sind die bereits im Zusammenhang mit dem Schwungrad Genannten.
Es kann aber auch – zusätzlich – ein Zugmitteltrieb ausgebildet werden mit einem Rad, das nicht an einem der beiden Enden der Kurbelwelle, sondern beabstandet zu den Enden auf der Kurbelwelle angeordnet ist. Ein derartiger Zugmitteltrieb wird nach dem Stand der Technik beispielsweise zum Antrieb der Nockenwellen, d. h. des Ventiltriebs, eingesetzt, wobei vorzugsweise ein Zahnrad das auf der Kurbelwelle angeordnete Rad bildet.
Die beiden folgenden Ausführungsformen beziehen sich auch auf derartige Zugmitteltriebe.
So sind bei Antriebseinheiten mit einem auf der Kurbelwelle angeordneten Rad, welches über ein Zugmittel ein Aggregat antreibt, Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das Zugmittel auch dem Antrieb eines gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden Rades dient und das zweite Ausgleichsgewicht an diesem gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden Rad vorgesehen ist.
Das Aggregat kann dabei ein Nebenaggregat im eigentlichen Sinne sein, aber beispielsweise auch ein Ventiltrieb, wie vorstehend beschrieben.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen das Zugmittel ein auf der Außenseite des Zugmittels angeordnetes Rad antreibt und das zweite Ausgleichsgewicht an diesem gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden Rad vorgesehen ist.
Ein Sonderfall eines auf der Kurbelwelle angeordneten Rades ist ein Zahnrad. Bei Antriebseinheiten mit einem auf der Kurbelwelle angeordneten Zahnrad, welches sich mit einem anderen Zahnrad in Eingriff befindet, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das zweite Ausgleichsgewicht an dem gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden anderen Zahnrad vorgesehen ist.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Antriebseinheit sein, bei denen eine Spannrolle eines Zugmitteltriebs zur Aufnahme eines der beiden Ausgleichsgewichte dient.
Um das Zugmittel eines Zugmitteltriebs unter Spannung zu halten und damit einen möglichst sicheren und verschleißfreien Antrieb zu gewährleisten, wird vorteilhafterweise an geeigneter Stelle des Antriebes eine Spannvorrichtungen vorgesehen, welche das Zugmittel mittels Spannrolle führt und quer zur Zugrichtung mit einer Kraft beaufschlagt, so dass das Zugmittel ständig unter Spannung steht und gehalten wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen die Brennkraftmaschine drei in Reihe angeordnete Zylinder umfaßt. Wie bereits ausführlich beschrieben, lassen sich bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor zwar die Massenkräfte 1. Ordnung und 2. Ordnung durch die Kurbelwellenkröpfung und eine geeignete Zündfolge ausgleichen, nicht aber die Momente, welche durch die Massenkräfte hervorgerufen werden.
Insofern besteht gerade bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor Bedarf für einen Ausgleich der Massemomente 1. Ordnung, d. h. für das erfindungsgemäße Verfahren zum Massenausgleich.
Die üblicherweise hierfür vorgesehene Ausgleichseinheit mit einer gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufenden Ausgleichswelle, auf der zwei um 180° verdreht angeordnete Ausgleichsgewichte angeordnet sind, entfällt bzw. wird ersetzt durch die beiden erfindungsgemäß entgegengesetzt zueinander rotierenden Ausgleichsgewichte.
Bei Antriebseinheiten, die zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen sind, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die beiden Ausgleichsgewichte in der Art bemessen und angeordnet sind, dass die resultierende ausgleichende Massenkraft eine in Fahrzeuglängsrichtung oszillierende Massenkraft ist. Es wird Bezug genommen auf die bereits gemachten Ausführungen hinsichtlich der Ausbildung der resultierenden ausgleichenden Massenkraft als oszillierende Massenkraft.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 die Kurbelwelle einer ersten Ausführungsform der Antriebseinheit in einer perspektivischen Darstellung.
1 zeigt die Kurbelwelle 1 einer ersten Ausführungsform der Antriebseinheit in einer perspektivischen Darstellung. Es handelt sich um die Kurbelwelle 1 eines Drei-Zylinder-Reihenmotors, der drei entlang der Längsachse 1b der Kurbelwelle 1 in Reihe angeordnete Zylinder 2a, 2b, 2c umfaßt. Die Kurbelwellenkröpfungen 3a, 3b, 3c der drei Zylinder 2a, 2b, 2c sind um die Längsachse 1b jeweils um 120° versetzt zueinander ausgebildet, so dass die rotierenden Massenkräfte 1. Ordnung und 2. Ordnung der oszillierenden Ersatzmassen bei entsprechender Zündfolge ausgeglichen werden.
Die Massenkräfte der rotierenden Ersatzmassen werden durch auf der Kurbelwelle 1 angeordnete Gegengewichte 4a, 4b, 4c in ihrer Außenwirkung ausgeglichen. Dabei sind im Bereich jeder Kurbelwellenkröpfung 3a, 3b, 3c jeweils zwei Gegengewichte 4a, 4b, 4c angeordnet und zwar auf der der Kurbelwellenkröpfung 3a, 3b, 3c gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle 1.
Zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente werden zwei als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte vorgesehen (nicht dargestellt), die bei mit Motordrehzahl umlaufender Kurbelwelle 1 (siehe Pfeil 1a) ebenfalls mit Motordrehzahl rotieren (siehe Pfeile 6a, 6b), wobei die Längsachse 1b der Kurbelwelle 1 die gemeinsame Drehachse 5 bildet.
Die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte rotieren dabei entgegengesetzt zueinander, was durch die Pfeile 6a, 6b, welche die unterschiedlichen Drehrichtungen der Ausgleichsgewichte versinnbildlichen, dargestellt ist.
Bei einer entsprechend dem Pfeil 1a umlaufenden Kurbelwelle 1 läuft das erste Ausgleichsgewicht gleichsinnig zur Kurbelwelle 1 um, d. h. entsprechend dem Pfeil 6a, und das zweite Ausgleichsgewicht gegensinnig zur Kurbelwelle 1, d. h. entsprechend dem Pfeil 6b.
Das resultierende Moment der beiden umlaufenden Ausgleichsgewichte um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit gleicht die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol aus, so dass die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung ausgeglichen wird.
Die beiden Ausgleichsgewichte werden in der Art bemessen und angeordnet, dass die resultierende Massenkraft zu einer in Längsrichtung des Fahrzeuges oszillierenden Massenkraft wird, d. h. bei quer in x-Richtung eingebautem Motor eine in y-Richtung oszillierende Massenkraft, die zu keinem Zeitpunkt Anteile in x-Richtung oder z-Richtung aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwelle eines Drei-Zylinder-Reihenmotors
1a: Pfeil, Drehrichtung der Kurbelwelle
1b: Längsachse der Kurbelwelle
2a: erster Zylinder
2b: zweiter Zylinder
2c: dritter Zylinder
3a: Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders
3b: Kurbelwellenkröpfung des zweiten Zylinders
3c: Kurbelwellenkröpfung des dritten Zylinders
4a: Gegengewicht des ersten Zylinders
4b: Gegengewicht des zweiten Zylinders
4c: Gegengewicht des dritten Zylinders
5: Drehachse
6a: Pfeil, Drehrichtung des ersten Ausgleichsgewichts
6b: Pfeil, Drehrichtung des zweiten Ausgleichsgewichts

Claims

Verfahren zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente eines Kurbeltriebs einer zu einer Antriebseinheit gehörenden Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (2a, 2b, 2c), bei der der Kurbeltrieb eine Kurbelwelle (1) und mindestens einen an diese Kurbelwelle (1) angelenkten und zu dem mindestens einen Zylinder (2a, 2b, 2c) gehörenden Kolben umfaßt, bei dem unter Verwendung einer Ausgleichseinheit, welche zwei als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte umfaßt, die bei mit Motordrehzahl umlaufender Kurbelwelle (1) ebenfalls mit Motordrehzahl rotieren, die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte entgegengesetzt zueinander rotieren (6a, 6b), wobei – ein erstes Ausgleichsgewicht gleichsinnig (6a) zur Kurbelwelle (1) umläuft und ein zweites Ausgleichsgewicht gegensinnig (6b) zur Kurbelwelle (1) umläuft, und – die als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte in der Art angeordnet und bemessen werden, dass das resultierende ausgleichende Moment um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol zumindest teilweise ausgleicht, wodurch die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte in der Art angeordnet und bemessen werden, dass das resultierende ausgleichende Moment um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol möglichst vollständig ausgleicht, wodurch die Außenwirkung des resultierenden Massenmoments 1. Ordnung möglichst vollständig ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausgleichsgewichte um dieselbe Drehachse (5) rotieren.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ausgleichsgewicht um die Längsachse (1b) der Kurbelwelle (1) rotiert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ausgleichsgewicht um eine Drehachse (5) rotiert, die parallel zur Längsachse (1b) der Kurbelwelle (1) verläuft.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausgleichsgewichte in der Art bemessen und angeordnet werden, dass die resultierende ausgleichende Massenkraft zu einer oszillierenden Massenkraft wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Momentanpol 1. Ordnung näherungsweise der Schwerpunkt der Antriebseinheit verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger für mindestens ein Ausgleichsgewicht ein bereits vorhandenes Bauteil der Antriebseinheit verwendet wird.
Antriebseinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer zur Antriebseinheit gehörenden Brennkraftmaschine mit – mindestens einem Zylinder (2a, 2b, 2c), – einem Kurbeltrieb, der eine Kurbelwelle (1) und mindestens einen an diese Kurbelwelle (1) angelenkten und zu dem mindestens einen Zylinder (2a, 2b, 2c) gehörenden Kolben umfaßt, und – einer Ausgleichseinheit zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente, die zwei als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte umfaßt, welche bei umlaufender Kurbelwelle (1) mit Motordrehzahl rotieren, dadurch gekennzeichnet, dass – die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte entgegengesetzt zueinander rotieren (6a, 6b), wobei ein erstes Ausgleichsgewicht gleichsinnig (6a) zur Kurbelwelle (1) umläuft und ein zweites Ausgleichsgewicht gegensinnig (6b) zur Kurbelwelle (1) umläuft, und – die als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte in der Art angeordnet und bemessen sind, dass das resultierende ausgleichende Moment um den Momentanpol 1. Ordnung der Starrkörperrotation der Antriebseinheit die von dem resultierenden Massenmoment 1. Ordnung hervorgerufene Drehbewegung um den Momentanpol zumindest teilweise ausgleicht.
Antriebseinheit nach Anspruch 9 mit einem auf der Kurbelwelle (1) angeordneten Schwungrad, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ausgleichsgewicht an dem Schwungrad vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 9 oder 10 mit einem Zugmitteltrieb, der ein von der Kurbelwelle (1) angetriebenes gegensinnig zur Kurbelwelle (1) rotierendes Rad umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ausgleichsgewicht an diesem gegensinnig zur Kurbelwelle (1) rotierenden Rad vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 9 oder 10 mit einem auf der Kurbelwelle (1) angeordneten Rad, welches über ein Zugmittel ein Aggregat antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel auch dem Antrieb eines gegensinnig zur Kurbelwelle (1) rotierenden Rades dient und das zweite Ausgleichsgewicht an diesem gegensinnig zur Kurbelwelle (1) rotierenden Rad vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel ein auf der Außenseite des Zugmittels angeordnetes Rad antreibt und das zweite Ausgleichsgewicht an diesem gegensinnig zur Kurbelwelle (1) rotierenden Rad vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 9 oder 10 mit einem auf der Kurbelwelle (1) angeordneten Zahnrad, welches sich mit einem anderen Zahnrad in Eingriff befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ausgleichsgewicht an dem gegensinnig zur Kurbelwelle (1) rotierenden anderen Zahnrad vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine drei in Reihe angeordnete Zylinder (2a, 2b, 2c) umfaßt.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 15 zur Verwendung in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausgleichsgewichte in der Art bemessen und angeordnet sind, dass die resultierende ausgleichende Massenkraft eine in Fahrzeuglängsrichtung oszillierende Massenkraft ist.